Дослід Майкельсона і виникнення теорії відносності

Хвильова теорія світла, яка має глибокі аналоги з теорією хвиль у пружному середовищі, привела вчених фізиків та філософів до уявлення про середовище, яке заповнює весь світловий простір і всі прозорі тіла. Це середовище назвали світовим ефіром. Спочатку ефір уявляли як механічне середовище, в якому поширюються пружні хвилі, які сприймались нами як світлові. Припускалось, що до ефіру, як до всякого механічного тіла, можуть бути застосовані закони класичної механіки. Правда, властивості світла вимагали, щоб ефір характеризувався особливими механічними постійними, які не мають аналогів у звичайних пружних середовищах. У зв’язку з розвитком електромагнітної теорії світла «механічний» ефір змінився «електро-магнітним», властивості якого визначались рівняннями Максвелла. Але і цей ефір уявляли середовищем, яке заповнює весь простір, нерухомим у ділянках, віддалених від небесних тіл. При цьому рух відносно ефіру міркувався як «абсолютний» рух. Таке уявлення про ефір тягло за собою проведення ряду дослідів, метою яких було точне вивчення його властивостей та характеру його взаємодії зі звичайними тілами. Інтерференційними спостереженнями, проведеними в 1851 році Фізо, було встановлено, що гіпотетичний ефір частково захоплюється рухомою речовиною, при цьому «коефіцієнт захоплення» залежить від показника заломлення речовини. Речовина з показником заломлення, рівним одиниці, не повинна захоплювати ефір. Здавалося природнім, продовжуючи вивчення властивостей ефіру, визначити характер руху Землі відносно ефіру. При цьому, оскільки повітряна атмосфера, яка має показник заломлення рівний одиниці, не повинна помітно захоплювати ефір, виявлення руху Землі відносно ефіру дало б „абсолютний” рух Землі відносно середовища у стані спокою, яке заповнює увесь світловий простір. Такий дослід і був здійснений Альбертом Майкельсоном (1852-1931) у 1881 році. Майкельсон міркував таким чином: якщо ефір нерухомий, час проходження одного і того ж шляху l на Землі повинен залежати від розміщення цього шляху по відношенню до напрямку руху Землі в ефірі. Якщо направити промінь світла руху Землі, то час проходження шляху l буде

5.10

де c – швидкість світла, а υ – швидкість руху Землі відносно ефіру, якщо , то

. 5.11

Якщо , то 5.12

Рис. 5.9

траєкторія світла в ефірі буде виражена прямою ОА′. У формулі для t₃ у чисельнику стоїть вираз для шляху променя в ефірі, а в знаменнику – його швидкість, визначаючи t₃, отримаємо:

5.13

Ми бачимо, що час проходження одного і того ж шляху на Землі повинен залежати від розміщення цього шляху по відношенню до напрямку руху Землі в ефірі.